Esistono molti tipi di substrati per l'imballaggio elettronico e quelli comunemente utilizzati si dividono principalmente in substrati di imballaggio in plastica, substrati di imballaggio in metallo e substrati di imballaggio in ceramica. I materiali di imballaggio in plastica hanno solitamente una bassa conducibilità termica e una scarsa affidabilità e non sono adatti a soddisfare requisiti elevati. I materiali da imballaggio in metallo hanno un'elevata conducibilità termica, ma il coefficiente di espansione termica generale non corrisponde e il prezzo è elevato.

I substrati ceramici sono comunemente utilizzati nel packaging elettronico. Rispetto ai substrati in plastica e ai substrati in metallo, i substrati in ceramica presentano i seguenti vantaggi:

(1) buone prestazioni di isolamento ed elevata affidabilità;

(2) Basso coefficiente dielettrico, prestazioni ad alta frequenza;

(3) Basso coefficiente di espansione termica ed elevata conduttività termica;

(4) Con una buona tenuta all'aria e prestazioni chimiche stabili, svolge un forte ruolo protettivo per il sistema elettronico.

Pertanto, è adatto per l'aviazione, l'aerospaziale e l'ingegneria militare ad alta affidabilità, alta frequenza, resistenza alle alte temperature, tenuta d'aria del prodotto. I componenti elettronici a chip ultrapiccoli sono ampiamente utilizzati nei settori della comunicazione mobile, dei computer, degli elettrodomestici e dell'elettronica automobilistica, ecc. e i loro materiali di supporto sono spesso incapsulati con substrati ceramici.

Attualmente, i substrati ceramici comunemente utilizzati per l'imballaggio elettronico sono l'allumina (Al2O3), il nitruro di alluminio (AlN), il nitruro di silicio (Si3N4), il carburo di silicio (SiC), il nitruro di boro (BN) e l'ossido di berillio (BeO).

Substrato ceramico Al2O3

La ceramica Al2O3 si riferisce generalmente all'Al2O3 come materia prima principale, principalmente alla fase cristallina alfa Al2O3, il contenuto di Al2O3 in più di 75% di tutti i tipi di ceramica, ha ricche fonti di materie prime, basso costo, elevata resistenza meccanica e durezza, buone prestazioni di isolamento e buone prestazioni di shock termico, resistenza alla corrosione chimica, elevata precisione dimensionale, i vantaggi di una buona adesione con il metallo, è una sorta di materiali di substrato ceramico con prestazioni complete migliori. Il substrato ceramico Al2O3 è ampiamente utilizzato nell'industria elettronica, rappresentando 90% della quantità totale di substrato ceramico, ed è diventato un materiale indispensabile per l'industria elettronica.

I substrati ceramici in Al2O3 attualmente utilizzati sono per lo più substrati multistrato. Il contenuto di Al2O3 migliora le prestazioni di isolamento elettrico, la conducibilità termica e la resistenza agli urti, ma allo stesso tempo comporta un aumento della temperatura di sinterizzazione e dei costi di produzione. Per ridurre la temperatura di sinterizzazione e garantire le proprietà meccaniche ed elettriche dei substrati ceramici in Al2O3, viene spesso aggiunta una certa quantità di AIDS di sinterizzazione, come B2O3, MgO, CaO, SiO2, TiO2, Nb2O5, Cr2O3, CuO, Y2O3, La2O3 e Sm2O3, per favorire la sinterizzazione.

Sebbene il substrato ceramico Al2O3 abbia una grande resa e un'ampia applicazione, è limitato nell'uso di circuiti integrati ad alta frequenza, alta potenza e su larga scala a causa della sua maggiore conducibilità termica rispetto al cristallo singolo di silicio.

Substrato ceramico AlN

Il substrato ceramico AlN è un nuovo tipo di materiale di supporto, la costante reticolare dei cristalli AlN per a = 0,3110 nm, c = 0,4890 nm, sistema esagonale, basato su [AlN4] unità di struttura tetraedrica del composto di legame covalente wurtzite, buona conducibilità termica, un isolamento elettrico affidabile, bassa costante dielettrica e perdita dielettrica, non tossico, e corrispondere al coefficiente di espansione termica del silicio e così via una serie di caratteristiche eccellenti, è considerato una nuova generazione di substrato semiconduttore ad alta integrazione e l'ideale dei materiali di imballaggio elettronici. .

Il processo di preparazione della polvere di AlN, la materia prima principale della ceramica AlN, è complesso, ad alto consumo energetico, a ciclo lungo e costoso. Il costo elevato limita l'ampia applicazione della ceramica AlN, per cui i substrati ceramici AlN sono utilizzati principalmente nelle industrie di fascia alta. .

Substrato ceramico Si3N4

Il Si3N4 presenta tre strutture cristalline, ovvero fase, fase e fase, tra cui fase e fase sono le forme più comuni di Si3N4 e sono tutte strutture esagonali. Il Si3N4 ha molte proprietà eccellenti, come una grande durezza, un'elevata resistenza, un piccolo coefficiente di espansione termica, un piccolo creep ad alta temperatura, una buona resistenza all'ossidazione, buone prestazioni di corrosione termica e un piccolo coefficiente di attrito. La conducibilità termica teorica del nitruro di silicio monocristallino è fino a 400W/(m-K) e ha il potenziale per diventare un substrato ad alta conducibilità termica. Inoltre, il coefficiente di espansione termica del Si3N4 è di circa 3,0×10-6℃, che si sposa bene con Si, SiC, GaAs e altri materiali, rendendo la ceramica Si3N4 un materiale di substrato molto interessante per dispositivi elettronici ad alta resistenza e ad alta conducibilità termica [4].

Tuttavia, la ceramica Si3N4 ha scarse proprietà dielettriche (la costante dielettrica è 8,3, la perdita dielettrica è 0,001~0,1) e un costo di produzione elevato, che ne limita l'applicazione come substrato ceramico incapsulato per l'elettronica.

Substrato ceramico SiC

La ceramica SiC ha un'elevata conducibilità termica, che varia da 100 w /(m-k) a 400W/(m-k) ad alta temperatura, 13 volte superiore a quella dell'Al2O3. Buone prestazioni antiossidazione, temperatura di decomposizione superiore a 2500℃, nell'atmosfera di ossidazione a 1600℃ può ancora essere utilizzato; inoltre, l'isolamento elettrico è buono e il coefficiente di espansione termica è inferiore a quello di Al2O3 e AlN. Le ceramiche SiC hanno forti caratteristiche di legame covalente e sono difficili da sinterizzare. Di solito viene aggiunta una piccola quantità di boro o ossido di alluminio come AIDS di sinterizzazione per migliorare la densità. Gli esperimenti dimostrano che berillio, boro, alluminio e i loro composti sono gli additivi più efficaci, in grado di far raggiungere alla ceramica SiC una densità superiore a 98% .

Tuttavia, la costante dielettrica del SiC è troppo alta, 4 volte quella dell'AlN, e la sua resistenza alla compressione è bassa, quindi è adatto solo per imballaggi a bassa densità ma non per imballaggi ad alta densità. Oltre che per i componenti dei circuiti integrati, per i componenti di array e per i diodi laser, ecc.

Substrato ceramico BeO

BeO è ossidi metallici alcalino-terrosi in solo sei partito struttura wurtzite, perché il BeO ha wurtzite e forte struttura di legame covalente, e la massa molecolare relativa è bassa, quindi, hanno elevata conducibilità termica, BeO allumina è di circa 10 volte, la sua conducibilità termica a temperatura ambiente può raggiungere 250 w / (m K), e la conducibilità termica del metallo, e sotto l'alta temperatura, ad alta frequenza, le sue prestazioni elettriche, buona resistenza al calore, calore resistere all'impatto e delicata stabilità chimica.

Sebbene il BeO abbia alcune buone proprietà, il suo svantaggio fatale è l'estrema tossicità della sua polvere. L'inalazione a lungo termine di polvere di BeO provoca avvelenamento o addirittura pericolo di vita e provoca inquinamento ambientale, il che influisce notevolmente sulla produzione e sull'applicazione del substrato ceramico BeO [5]. Inoltre, il BeO è costoso da produrre, il che ne limita la produzione e l'applicazione. Il suo utilizzo è limitato ai seguenti aspetti: dissipatori di calore di transistor ad alta potenza, dissipatori di calore di dispositivi a semiconduttore ad alta frequenza e ad alta potenza, tubi di emissione, TWTS, tubi laser, klystron, ecc. I substrati ceramici in BeO sono talvolta utilizzati nell'avionica e nelle comunicazioni satellitari per l'elevata conduttività termica e le caratteristiche ideali ad alta frequenza.

Substrato ceramico BN

Il BN può essere cristallizzato in due forme diverse: esagonale e cubica. Tra queste, il BN a cristalli cubici ha un'elevata durezza e una resistenza alle alte temperature di 1500~1600℃, adatta ai materiali superduri. Il BN esagonale può mantenere un'elevata stabilità chimica e meccanica a temperature molto elevate con un trattamento termico corretto. Il materiale BN ha un'elevata stabilità termica, chimica e di isolamento elettrico; inoltre, la conducibilità termica della ceramica BN è pari a quella dell'acciaio inossidabile a temperatura ambiente e la proprietà dielettrica è buona. Il BN presenta una migliore fragilità rispetto alla maggior parte delle ceramiche, un minore coefficiente di espansione termica, una forte resistenza agli shock termici e può sopportare forti variazioni di temperatura superiori a 1500℃.

Sia il BN cubico che il BN esagonale sono preparati ad alta temperatura e ad alta pressione e sono tipici cristalli a legame covalente. Grazie alla sua elevata conducibilità termica, che quasi non varia con la temperatura, alla piccola costante dielettrica e alle buone prestazioni di isolamento, il BN viene applicato alle finestre radar, alle basi dei tubi dei transistor ad alta potenza, ai gusci dei tubi, ai dissipatori di calore e alle finestre di uscita delle microonde. Tuttavia, il BN cubico è troppo costoso per essere utilizzato nella produzione di materiali ceramici ad alta conducibilità termica. Anche la mancata corrispondenza tra il coefficiente di espansione termica e il silicio ne limita l'applicazione. .